脈沖壓縮在鋼板腐蝕電磁超聲SH 導波檢測中的應用

石文澤，黃祺凱，盧超，3，*，邱發(fā)生，陳堯，陳果

(1.南昌航空大學無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室，南昌 330063；2.中科院聲學研究所聲場聲信息國家重點實驗室，北京 100190；3.贛南師范大學江西省數(shù)值模擬與仿真技術(shù)重點實驗室，贛州 341000)

金屬板材廣泛應用于建筑、船舶、核電、化工等領(lǐng)域，腐蝕缺陷是金屬板材服役過程中最常見的失效形式，嚴重影響其服役的安全性和可靠性[1]。金屬薄板廣泛適用于高壓燃料貯存罐、高溫高壓鍋爐等大型耐壓殼體，其外徑和高度通常可達到幾十米甚至幾百米，這類薄板必須保持高度氣密性，而嚴重腐蝕造成的壁厚減薄將導致其氣密性下降，因此有必要對在役金屬薄板進行大范圍快速在線無損檢測，預防液氣泄露甚至燃燒爆炸等嚴重意外事故的發(fā)生[2]。腐蝕多為具有減薄特征的任意形狀缺陷，通常采用人工預制圓孔和球孔來模擬腐蝕坑[3-5]，以此作為模擬缺陷當量大小的對比依據(jù)。傳統(tǒng)的超聲體波或超聲時差衍射法由于只能實現(xiàn)點對點檢測，雖然缺陷檢測靈敏度較高，但很難適合在役金屬薄板的大范圍在線快速檢測[6]。常規(guī)壓電超聲要求換能器與試樣之間充分接觸以產(chǎn)生足夠能量的超聲導波，而在役鋼板惡劣的表面狀況將嚴重影響壓電超聲的耦合效果和缺陷檢測能力[7]。激光超聲雖然擁有非接觸檢測的特點，并在腐蝕缺陷檢測上有一定的工程應用[8-9]，但儀器成本高、檢測環(huán)境要求高。

電磁超聲導波因其傳播距離遠、檢測效率高、不需要耦合劑等優(yōu)點，廣泛應用于高低溫、金屬薄板和薄管的大范圍在線快速檢測[10-11]。在役金屬薄板表面的雜質(zhì)、油污、水滴、銹蝕等將嚴重影響lamb 導波的檢測距離和檢測靈敏度，但是水平剪切(shear horizontal,SH)導波質(zhì)點振動與金屬試樣表面平行，僅存在面內(nèi)位移，受上述在役鋼板表面雜物的影響較小[12-13]。雖然SH 導波具有頻散和多模態(tài)特性，但基礎(chǔ)模態(tài)SH0不會發(fā)生頻散，導波模態(tài)轉(zhuǎn)換較少，有利于波包分離，降低了檢測難度[14]。由此可見，電磁超聲SH 導波技術(shù)兼具非接觸檢測和單點激勵、長距離大范圍檢測等優(yōu)點，將其應用于含表面附著物(表面雜質(zhì)、銹蝕、局部不平整、油污等)的在役金屬薄板的大范圍在線快速檢測具有重要的工程應用價值[15]。然而，超聲導波與腐蝕缺陷作用時，大部分導波能量將被腐蝕缺陷的弧面散射出去，接收到的反射波能量普遍較低，因此，在役鋼板腐蝕缺陷快速導波檢測的難度相對較大。另外，由于電磁超聲換能器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)換能效率低和信噪比差、檢測回波受提離影響較大等問題，限制了電磁超聲SH 導波檢測技術(shù)在在役鋼板腐蝕缺陷大范圍在線快速檢測中的廣泛應用[12]。

脈沖壓縮技術(shù)可以有效提高磁超聲換能器檢測回波的信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)和空間分辨率，可以在不增加EMAT 檢測系統(tǒng)中的功放輸出功率和低噪音抑制能力的條件下，極大程度地提高缺陷檢測能力。國內(nèi)外學者已經(jīng)將脈沖壓縮技術(shù)應用于超聲檢測，例如Ricci 等[16]將脈沖壓縮技術(shù)應用于高衰減鍛鋼厚度的壓電超聲檢測，指出脈沖壓縮技術(shù)能提高檢測回波的SNR 和空間分辨率。石文澤等[17]將chirp 信號脈沖壓縮技術(shù)應用于高溫連鑄坯電磁超聲檢測，經(jīng)過脈沖壓縮后，超聲回波的SNR 提高19 dB，波包寬度減少62.4%。Zhu和Wu[18]將編碼脈沖壓縮技術(shù)應用于巖石壓電超聲檢測，發(fā)現(xiàn)線性調(diào)頻信號、正弦調(diào)制Barker 碼、線性調(diào)頻Barker 碼對應的SNR 相比傳統(tǒng)單脈沖激勵方式分別提高了8.00dB，11.58dB，8.53dB。An 等[19]將脈沖壓縮技術(shù)用于天然氣管道壓電超聲檢測，在包絡(luò)提取等處理后，消除了管道彎頭的干擾，經(jīng)過脈沖壓縮和匹配濾波后，脈沖噪聲、高斯白噪聲水平顯著降低。Fu 等[20]將線性調(diào)頻Barker 碼脈沖壓縮應用于壓電超聲成像檢測，經(jīng)脈沖壓縮和失配濾波處理后，主旁瓣比(peak-to-side loberatio,PSL)從22.3dB顯著提高到40.0 dB。

Barker 碼信號激勵得到的超聲信號經(jīng)過脈沖壓縮處理后，在主瓣兩側(cè)會產(chǎn)生旁瓣，將嚴重干擾小缺陷的判定。Zhou 等[21]將小波分析和脈沖壓縮應用于空氣耦合超聲檢測，但實際測得的PSL 遠低于理論值，僅為6.99 dB。張慧琳和宋小軍[22]發(fā)現(xiàn)最小均方差逆濾波器相比于加權(quán)匹配濾波器對旁瓣抑制效果更好，PSL 為63.59 dB，不影響B(tài)arker 碼對應的接收信號幅度，但在實際檢測中，接收信號受噪音影響較大。宋壽鵬和喬夢麗[23]將非線性調(diào)頻Barker 碼脈沖壓縮技術(shù)應用于金屬板材超聲檢測，減小了噪聲信號干擾，可以檢出板材焊縫中的裂紋、未焊透、未熔合、氣孔和夾渣等缺陷。

綜合文獻[16-23]所述，國內(nèi)外關(guān)于脈沖壓縮技術(shù)在超聲檢測中的應用研究涉及較多，包括壓電超聲、空耦超聲、電磁超聲等，但將Barker 碼脈沖壓縮技術(shù)用于電磁超聲SH 導波檢測的研究較少，需要進一步完善，特別是在Barker 碼激勵參數(shù)與EMAT參數(shù)匹配和選擇方面，還存在許多問題，例如Barker碼序列長度、碼元長度、永磁體對數(shù)等參數(shù)對單一模態(tài)導波激勵、外部噪音抑制能力、快速檢測能力(減少同步平均次數(shù))、EMAT 提離(粗糙表面適應能力)等的影響，這些因素都會影響EMAT 檢測回波的SNR 及空間分辨率。針對上述問題，本文通過采用實驗和數(shù)值分析相結(jié)合的方式，分析不同Barker碼序列長度、碼元長度、永磁體對數(shù)、EMAT 提離等參數(shù)對SH 導波EMAT 檢測回波的信噪比、波包寬度的影響，驗證了Barker 碼脈沖壓縮技術(shù)在鋼板腐蝕缺陷電磁超聲SH 導波檢測中的應用優(yōu)勢。

1 SH 導波傳播有限元建模和脈沖壓縮算法實現(xiàn)

1.1 SH 導波EMAT 換能機理

基于洛倫茲力機理的SH 導波EMAT 換能機理如圖1 所示。當跑道線圈中通以高頻大功率激勵電流，將在試樣表面產(chǎn)生頻率相同、方向相反的感應電渦流Je。Je在周期性永磁體序列(periodic permanent magnet,PPM)提供的靜態(tài)偏置磁場Bs作用下，產(chǎn)生洛倫茲力fL，并帶動金屬薄板表面質(zhì)點振動，在薄板長度方向產(chǎn)生SH 導波。

圖1 基于洛倫茲力的PPM-EMAT換能機理Fig.1 PPM-EMAT conversion mechanism based on Lorentz force

1.2 SH 導波EMAT 設(shè)計參數(shù)及有限元建模

采用圓孔來模擬鋼板的腐蝕缺陷，建立含深度為3mm、直徑為2 0 mm 圓孔的金屬薄板SH 導波傳播有限元模型如圖2 所示，建模參數(shù)如表1 所示。將PPM-EMAT 在鋼板表面形成的洛倫茲力簡化為加載方向相反、間距d為7mm 的16 個面載荷區(qū)域，對應8 對永磁體。當有限元模型的最大網(wǎng)格單元大小為1.6mm，瞬態(tài)求解器中最大計算步長為0.05μs，計算結(jié)果收斂。

表1 有限元建模參數(shù)Table 1 Parameters in finite elem ent m odel

圖2 SH導波傳播有限元模型Fig.2 Finite element model of SH guided wave propagation

SH 導波的多模態(tài)效應會影響脈沖壓縮效果，由于高階模態(tài)SH 導波遇到缺陷、變截面或端面將會發(fā)生頻散，使高階模態(tài)導波波包與Barker 碼參考信號有一定區(qū)別，導致脈沖壓縮后的主瓣寬度和主瓣峰值難以進行較大幅度地改善。因此，當SH0導波和高階SH 導波對應的回波波包重疊時，將降低缺陷檢測回波的SNR 和空間分辨率，從而減低了缺陷檢測能力，所以應當抑制高階模態(tài)，減小對檢測能力的影響。圖3 為SH 導波在鋼板中的頻散曲線。永磁體寬度為7mm，以2 倍磁鐵寬度為斜率繪制曲線，SH0模態(tài)工作點為0.23MHz，而在實際檢測中，鋼板厚度、永磁體寬度、實際聲速與理論聲速存在誤差，因此實際選取的工作點應在0.23MHz附近。

圖3 SH導波在鋼板中的頻散曲線Fig.3 Frequency dispersion curve of SH guided wave propagation in steel plate cross-section

對于PPM-EMAT，永磁體對數(shù)和脈沖激勵電流的持續(xù)時間影響其所激勵的SH 導波模態(tài)成分。增加永磁體對數(shù)和激勵電流的持續(xù)時間有利于實現(xiàn)單一模態(tài)SH 導波的控制。當永磁體對數(shù)為8 對、面載荷函數(shù)持續(xù)時間為130μs，即2 個完整周期數(shù)時，SH 導波在鋼板橫截面的傳播瞬態(tài)云圖如圖4 所示。由圖4 可知，當激勵頻率為0.2MHz、周期序列永磁體寬度為7mm 時，SH 導波在與缺陷作用前、作用時、作用后3 個過程，僅產(chǎn)生單一SH0模態(tài)，因此，實驗中激勵頻率選為0.2MHz。

圖4 鋼板橫截面的SH導波傳播云圖Fig.4 Contour plots of SH guided wave propagation in steel plate cross-section

1.3 Barker 碼脈沖壓縮算法及旁瓣抑制方法

Barker 碼是單次發(fā)射的二進制編碼序列，通過匹配濾波可以進行脈沖壓縮，并獲得較低的距離旁瓣[24-25]。目前已知最長的Barker 碼序列長度為13，其峰值旁瓣水平PSL 為22.3 dB[26]。PSL 可以衡量脈沖壓縮距離旁瓣抑制效果。PSL 計算方式如下：

式中：N為Barker 碼的序列長度。

13 位Barker 二進制序列為{1,1,1,1,1,?1,?1,1,1,?1,1,?1,1}，將正弦脈沖串作為Barker 碼序列的碼元，以此作為EMAT 的激勵信號。激勵信號u[m]和碼元序列v[s]可以表示為

式中：f(·)為子脈沖函數(shù)；M為子脈沖的時間寬度；Tc為碼元的持續(xù)時間；Ck=±1為Barker 碼編碼序列。

將Barker 碼信號u[m]加載到EMAT 線圈，可以獲取EMAT 接收到超聲回波信號s[m]，則脈沖壓縮后的信號yi[m]計算式如下[27]：

式中：T為原始信號長度；τ為自變量。

13 位Barker 碼自相關(guān)函數(shù)及旁瓣抑制如圖5所示。由圖5 可知，13 位Barker 碼自相關(guān)函數(shù)圖中主瓣兩側(cè)各分布6 個旁瓣，且底寬均為2Tc。由于旁瓣具有較好的對稱性，因此可以通過引入加權(quán)因子抑制旁瓣。將脈沖壓縮后的信號經(jīng)過12 次延遲，再將延遲信號與相應加權(quán)系數(shù)相乘后全部相加，可以使旁瓣信號向兩側(cè)推移，在?12Tc＆lt;t＆lt;12Tc范圍內(nèi)旁瓣為0，但在此范圍外將產(chǎn)生新的旁瓣[28]，如圖5(b)所示。通過增加延遲線，可以使旁瓣繼續(xù)向兩側(cè)推移，其推移距離與延遲線數(shù)量相關(guān)[29]。

圖5 13位Barker碼脈沖壓縮及旁瓣抑制Fig.5 Pulse compression and side-lobe suppression of 13-bit Barker code

2 SH 導波EMAT 脈沖壓縮效應的影響因素分析

2.1 Barker 碼序列長度

經(jīng)過歸一化處理后，無單位的不同序列長度Barker 碼對應的激勵信號、原始超聲波信號、脈壓信號和經(jīng)旁瓣抑制后的脈壓信號如圖6 所示，其中圖6(a)～圖6(c)是中心頻率為0.2MHz 和單個碼元長度為10μs 的Barker 碼激勵信號，圖6(d)～圖6(f)為超聲回波信號。激勵信號圖6(a)～圖6(c)分別對應與超聲回波信號圖6(d)～圖6(f)進行卷積，可得脈壓信號如圖6(g)～圖6(i)所示，脈壓信號經(jīng)過旁瓣抑制如圖6(j)～圖6(l)所示。比較圖6(g)～圖6(i)和圖6(j)～圖6(l)可知，旁瓣抑制前的主瓣寬度變化范圍為25～30μs，但抑制后的主瓣寬度均為30μs。引入加權(quán)因子能有效抑制距離旁瓣，提高檢測回波的空間分辨率，當序列長度由5 位增加至13 位時，PSL 呈增長趨勢，波包寬度則無明顯變化。

圖6 不同序列長度Barker碼對應的激勵信號、超聲波信號、脈壓信號和經(jīng)旁瓣抑制后的脈壓信號Fig.6 Excitation signals, ultrasonic signals, pulse compressed signals, pulse compressed signals after side lobe suppression when Barker code signals with different sequence lengths is used

2.2 碼元長度

經(jīng)過歸一化處理后，無單位的不同碼元長度Barker 碼對應的激勵信號、超聲波信號、脈壓信號和經(jīng)旁瓣抑制后的脈壓信號如圖7 所示。由圖7 可知，Barker 碼信號的碼元長度增加，PSL 和波包寬度呈增長趨勢，空間分辨率下降。由圖7(j)可知，當碼元長度為5μs 時，序列過短將導致高階SH 導波模態(tài)產(chǎn)生，且因其頻散特性，與原始參考信號頻率成分差別很大，很難實現(xiàn)脈沖壓縮，并與缺陷回波重疊，不利于缺陷識別。

圖7 不同碼元長度Barker碼對應的激勵信號、超聲波信號、脈壓信號和經(jīng)旁瓣抑制后的脈壓信號Fig.7 Excitation signals, ultrasonic signals, pulse compressed signals, pulse compressed signals after side lobe suppression when Barker code signals with different subpulse lengths is used

2.3 EMAT 永磁體對數(shù)

經(jīng)過歸一化處理后，圖8 為不同永磁體對數(shù)對應的旁瓣抑制后無單位的脈壓信號。由圖8 可知，永磁體對數(shù)的增加使激勵載荷面積增大，信號發(fā)射能量提高，使PSL 和波包寬度相應增加。由圖8(a)可知，對數(shù)過少，會產(chǎn)生SH0以外的其他高階模態(tài)，故應選取6 對及以上永磁體。

圖8 永磁體對數(shù)對旁瓣抑制后脈壓信號的主瓣寬度和PSL的影響Fig.8 Effect of permanent magnet pairs on main lobe width and PSL of pulse compressed signals after side lobe suppression

3 金屬薄板SH 導波EMAT 檢測實驗

3.1 SH 導波EMAT 設(shè)計及其實驗系統(tǒng)

SH 導波EMAT 檢測實驗系統(tǒng)如圖9 所示。信號發(fā)生器產(chǎn)生中心頻率0.2 MHz 的Barker 碼激勵信號，經(jīng)功率放大器和激勵端阻抗匹配后，激勵EMAT 獲得盡可能多的能量。接收端EMAT 的信號濾波后經(jīng)過前置放大器放大，通過數(shù)據(jù)采集卡在PC 機上軟件界面顯示和存儲數(shù)據(jù)。

圖9 EMAT實驗系統(tǒng)Fig.9 EMAT experimental system

圖10 為EMAT 探頭和鋼板實物圖。激勵和接收EMAT 均由8 對永磁體和跑道線圈組成，其中永磁體尺寸為長20mm×寬7mm×高3.8mm。圖11 為含預制缺陷的鋼板試樣示意圖。試塊材料為45#鋼，厚度為5.6mm。在實驗中，接收EMAT 中的始波及其引起的電磁串擾過長，直達波將淹沒其中，因?qū)嶋H檢測對象為幾十米至幾百米的大型耐壓殼體的在役鋼板，待檢測區(qū)域較大，近距離檢測能力下降對在役大規(guī)格鋼板快速導波檢測影響較小，故EMAT 探頭之間距離所引起的導波檢測盲區(qū)可以忽略不計。由于鋼板相對較薄，主要關(guān)注壁厚減薄等缺陷，一般以壁厚減薄10%～20%作為缺陷檢測靈敏度[5]。因此，在鋼板上預制了深度為2mm 和3mm、直徑為20mm 的圓孔。

圖10 EMAT探頭和鋼板實物圖Fig.10 Picture of EMAT probe and steel plate

圖11 含預制缺陷的鋼板試樣示意圖Fig.11 Schematic diagram of steel plate with prefabricated defects

3.2 Barker 碼序列長度影響規(guī)律分析

圖12 為無同步平均時，不同Barker 碼序列長度對應的旁瓣抑制后脈壓信號，其中Barker 碼的中心頻率為0.2MH z，碼元長度為1 0μs。EMAT 位置如圖10 所示，檢測對象深度為3mm、直徑為2 0 mm的圓孔。由圖11 和圖12 可知，第1 個波包為缺陷波，第2 個波包為右端面回波，第3 個波包為左端面回波。直達波聲程較短，淹沒在初始電磁串擾中。結(jié)合仿真結(jié)果，由圖6 和圖12 可知，增加Barker碼序列長度可以增強缺陷回波的SNR，但對波包寬度影響不大，即對空間分辨率影響不大。在不同缺陷檢測時，需同時考慮空間分辨率和SNR，故在選取Barker 碼時應盡可能提高序列長度來提升缺陷檢測能力。

3.3 碼元長度影響規(guī)律分析

圖13 為無同步平均時，不同Barker 碼碼元長度對應的旁瓣抑制后的脈壓信號。由圖7 和圖13可知，增加Barker 碼的碼元長度可以增強缺陷波的SNR，但對缺陷波的波包寬度影響很大。由圖12和圖13 可知，當Barker 碼激勵信號的序列長度為13，碼元長度為5μs 時，產(chǎn)生的高階模態(tài)降低了空間分辨率，因此過短的碼元長度也不合適。由于實驗中采用的脈沖功率放大器的最大輸出脈沖串持續(xù)時間不超過200μs，故最長可選用1 5μs 的碼元，即Barker 碼激勵信號的持續(xù)時間為195μs。

圖12 無同步平均時，不同Barker碼序列長度對應的旁瓣抑制后的脈壓信號Fig.12 Pulse compressed signals after side lobe suppression in correspondence with the Barker codes of different sequence lengths when there is no synchronous average

圖13 無同步平均時，不同Barker碼碼元長度對應的旁瓣抑制后的脈壓信號Fig.13 Pulse compressed signals after side lobe suppression in correspondence with the Barker code with different subpulse durations when there is no synchronous average

3.4 無同步平均和大提離時缺陷檢測能力分析

圖14 為單一頻率(0.2MHz)正弦脈沖串激勵時，不同同步平均次數(shù)對應的缺陷波SNR 和主瓣寬度，檢測缺陷是深度為3mm、直徑為2 0 mm 的圓孔。由圖14 可知，當平均次數(shù)從1 次增加到128 次，缺陷波的SNR 從9.5d B 增加至3 0.5 dB，但仍比無同步平均的13 位序列和15μs 碼元長度Barker 碼脈沖壓縮對應的缺陷波SNR(如圖13(c)所示)低5.8 dB，波包寬度未發(fā)現(xiàn)明顯變化，即13 位Barker 碼脈沖壓縮技術(shù)對應的缺陷檢測靈敏度更高。雖然增加平均次數(shù)能夠有效提高檢測回波的信噪比，但多次同步平均采集所需的檢測時間也會大幅度增加，而無同步平均的Barker 碼脈沖壓縮技術(shù)不僅能有更高的檢測回波SNR 及更好的空間分辨率，且能提高大規(guī)格在役鋼板的檢測效率，縮短檢測時間。

圖14 單一頻率正弦脈沖串激勵時，同步平均次數(shù)對缺陷波SNR和波包寬度的影響Fig.14 Effect of the synchronous averaging number on the SNR and packet width of the defect echo when the toneburst excitation is used

在役鋼板表面通常涂覆有一定厚度的防銹層，用來防止局部腐蝕，涂層厚度將會增加EMAT 與鋼板之間的提離，從而導致檢測回波SNR 隨提離的增加而急劇下降[30-31]。同時，為了防止在役鋼板表面雜物、銹蝕和油污等雜物對EMAT 探頭造成磨損或損壞，并滿足在線、快速、無障礙掃查等要求，需要在保證一定檢測回波信噪比的條件下增加EMAT 提離。圖15 為采用單一頻率(0.2 MHz)脈沖串信號激勵方式時對應的超聲回波。由圖15 可知，當EMAT 提離為1.5mm 時，已不能識別缺陷回波，完全淹沒在噪音中。

圖15 EMAT提離為1.5 mm和同步平均次數(shù)為128時，單一頻率正弦脈沖串激勵對應的超聲波信號Fig.15 Received ultrasonic signals with tone-burst excitation,when life-off is 1.5 mm, and synchronous average is 128

圖16 為EMAT 提離對無同步平均、旁瓣抑制后脈壓信號及128 次平均的單一頻率信號的缺陷波信噪比的影響。其中待檢測缺陷是深度為3mm、直徑為20mm 的圓孔，Barker 碼激勵信號由13 位序列、15μs 碼元組成。由圖1 6 可知，當提離為1.0mm時，無同步平均的Barker 碼脈沖壓縮技術(shù)對應的缺陷波SNR 比128 次同步平均降噪的單一頻率脈沖激勵方式高出12.5d B。當EMAT 提離為3.0mm時，無同步平均的Barker 碼脈沖壓縮技術(shù)對應的缺陷波SNR 仍可達8.7 dB，而128 次同步平均降噪的單一頻率脈沖激勵這一方式，卻無法可靠獲取缺陷波。與單一頻率脈沖激勵結(jié)合多次同步平均降噪這一傳統(tǒng)的檢測方式相比，Barker 碼脈沖壓縮技術(shù)可以在無同步平均降噪的條件下獲取更高的檢測回波信噪比，這一優(yōu)勢使得基于Barker 碼脈沖壓縮技術(shù)的電磁超聲SH 導波技術(shù)可以在更大的提離條件下獲取足夠的檢測回波信噪比。

圖16 EMAT提離對無同步平均、旁瓣抑制后脈壓信號及128次平均的單一頻率信號的缺陷波信噪比的影響Fig.16 Effect of EMAT lift-off on the SNR of the defect echoes from the pulse-compressed signals after side-lobe suppression with no synchronous average and averaged single frequency signals at 128

Barker 碼序列長度、碼元長度是影響缺陷檢測效果的主要因素，當序列長度由5 位增加至13 位及碼元長度由5μs 增加至1 5μs 時，SNR 均明顯增加，另外為了單獨比較不同序列長度和碼元長度對缺陷波SNR 的影響，故選取基于5 組Barker 碼參數(shù)組合的脈沖壓縮算法的電磁超聲SH 導波檢測方法對深度為2mm、直徑為2 0 mm 的圓孔進行檢測，得到的無同步平均時對應的缺陷波SNR 如表2所示。

表2 采用不同Barker 碼激勵信號和無同步平均時，2 mm 深度圓孔對應的缺陷波SNRTable 2 SNR of the defect echo from 2 mm deep circular hole w ith different Barker code signals and w ithout synchronous average

由表2 可知，13 位序列和15μs 碼元長度的Barker碼激勵信號對應的缺陷波SNR 為31.4 dB。通過短橫孔回波聲壓式分析，缺陷深度減小一半，其回波下降6d B，因此，深度為1 mm、直徑為2 0 mm 的圓孔對應的缺陷波SNR 約為25.4 dB。當Barker 碼持續(xù)時間由50μs 增加至19 5μs，缺陷波SNR 由1 7.7 dB增加至31.4 dB。由此可知，Barker 碼持續(xù)時間越長，缺陷回波信噪比越高，但實際檢測中，功率放大器等設(shè)備性能指標限制了Barker 碼激勵信號的持續(xù)時間，過長的Barker 碼激勵電流將會導致設(shè)備功能性損壞。

4 結(jié) 論

1)將Barker 碼脈沖壓縮技術(shù)應用于役鋼板腐蝕缺陷電磁超聲大范圍在線SH 導波檢測，可以極大程度地提高檢測回波信噪比、空間分辨率、檢測效率和提離距離。與單一頻率脈沖串激勵并結(jié)合多次同步平均降噪這一傳統(tǒng)檢測方式相比，采用Barker 碼脈沖壓縮技術(shù)對單次采集的電磁超聲回波信號進行處理既可以獲取至少相當于128 次同步平均的噪音抑制效果。

2)當Barker 碼序列長度為13 位、碼元長度為15μs，且EMAT 提離為3.0mm 時，深度為3 mm、直徑為20mm 的圓孔對應的缺陷回波信噪比大于8.7 dB。然而，對于單一頻率脈沖激勵和128 次同步平均這一方式，在1.5mm 提離時，已無法實現(xiàn)缺陷檢測。采用基于Barker 碼脈沖壓縮技術(shù)的電磁超聲SH 導波檢測方法在較大提離時依然能夠保持較高的信噪比，尤其針對表面附著物(銹蝕、局部不平整、油污等)的在役金屬薄板和薄管在線快速大范圍檢測具有較大的優(yōu)勢。實驗中采用圓孔缺陷模擬腐蝕缺陷，與實際模擬缺陷有一定區(qū)別，未來將重點研究基于Barker 碼脈沖壓縮算法的電磁超聲導波技術(shù)對在役鋼板自然腐蝕缺陷的檢測能力。

3)隨著Barker 碼序列長度和碼元長度的增加，經(jīng)過脈沖壓縮和旁瓣處理后的信噪比逐漸提高，對缺陷的檢測能力越強。然而，脈沖功率放大器等設(shè)備性能(如占空比、單次最大脈沖寬度等)限制了Barker 碼激勵信號的持續(xù)時間，過長的Barker 碼激勵電流將會導致設(shè)備性能不穩(wěn)定甚至功能性損壞，下一步可以從特殊EMAT 設(shè)計、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、Barker 碼激勵信號幅值加權(quán)等方面出發(fā)，消除功放設(shè)備性能的限制。